跨座式单轨铁路的特点及其应用前景

摘　要: 跨座式单轨交通系统由线路、车辆系统、机电设备、车辆段及综合维修基地等部分组成, 其单轨铁路轨道梁既是承重的桥梁结构, 又是支承和导向的轨道; 车辆采用橡胶轮胎, 通过安装在转向架两侧的导向轮和稳定轮来导向和稳定车体。构造上的特点使得其走行机理、轮轨关系都与常规地铁、轻轨有很大差别。技术上的特点主要体现在车辆的转向架、轨道梁和线路道岔三方面, 走行机理完全不同于钢轮———钢轨系统, 轨道梁承受较大的扭转荷载。就性能而言, 跨座式单轨铁路具有占用空间少, 适应地形好, 舒适环保等特点。

关键词: 单轨铁路; 跨座式; 构造; 性能; 综述　　

1 　概　况
　　跨座式单轨铁路(straddle type railway) 就是只通过单根轨道来支承、稳定和导向, 车体骑跨在轨道梁上运行的铁路。
世界上第一条跨座式单轨铁路线诞生于1888 年, 是由法国人charle larligue 设计, 在爱尔兰铺设的, 线路长约15 km , 由蒸汽机车牵引, 最高速度h43 km·-1 旅行速度29 km·h-1 , 这条线路一直运行到1924 ,年10 月[ 1 ] 。在第二次世界大战以后, 随着科学技术的进步, 跨座式单轨铁路技术才受到各方重视, 逐渐完善和成熟起来。1952 年, 德国工业家axellenard wenner2gren 在德国科隆附近的菲林根建造了一条单轨线进行实验研究。经过反复试验, 于1958 年得出这样的结论: 采用跨座式、混凝土轨道和橡胶充气轮胎能达到最好的效果。这就是目前所称的alweg 型跨座式独轨铁路。后来美国、日本和意大利等许多国家都修建了这种形式的独轨。其中尤以日本建成的线路最多。
60 年代初期, 日本的工程师将改良后的al2 weg 型跨座式单轨铁路用作游乐园、动物园的游览车。1964 年, 东京修建的从市中心到羽田机场的单轨线, 开始把跨座式单轨铁路作为城市公共交通的运输工具[ 4 ] 。羽田线成为旅客出入羽田国际机场的重要通道, 在东京城市交通中发挥着重要作用。之后, 日本的大阪、北九州等城市也相继修建了跨座式单轨铁路。至1993 年, 各国运营中的跨座式单轨线路共有13 条[ 1 ] (如表1 所列); 至2000 年3 月, 日本有4 条跨座式单轨线处于建设中[ 2 ] (如表2 所列) 。
表1 　各国运营中的跨座式单轨铁路

表2 　日本建设中跨座式单轨铁路( 2000 年3 月)

2 　构造特点
与常规铁路相类似, 跨座式单轨交通系统也是由线路、车辆系统、机电设备、车辆段及综合维修基地等部分组成, 同时, 作为一种技术先进的城市轨道交通, 单轨铁路某些部分的构造又有其独特之处, 其构造的特殊性主要在于线路和车辆系统(如图1 所示) 。

图1 　跨座式单轨轨道梁与车辆断面图/ mm
2.1 　线路
跨座式单轨铁路通常采用全封闭的高架系统, 它的线路部分包括轨道梁、支柱、高架车站及单轨道岔。其中轨道梁和线路道岔具有非常独特的结构型式。
(1) 轨道梁
跨座式单轨的轨道梁有预制混凝土轨道梁和钢制轨道梁两种。大多数跨座式单轨铁路都采用标准预制混凝土轨道梁, 跨度为20 m～22 m , 断面一般采用工字型中空截面, 高度为1.5 m , 宽度为0.85 m[3 ,5 ] 。轨道梁采用预应力混凝土( pc) , 全部由专用模板制成, 具有较高的精度。当跨度大于22 m 或轨道梁建筑高度很高时, 原则上采用钢制轨道梁。钢制轨道梁断面一般采用箱型截面。
(2) 单轨道岔
跨座式单轨道岔是有一定长度的道岔梁, 一端可以移动, 每片道岔梁均固定在一个支承台车上, 由台车上的电动机驱动, 操作安全、可靠。跨座式单轨道岔可以分为两种类型: 一类是柔性铰接型, 可使道岔连续弯成曲线; 另一类为简易铰接型, 转辙时道岔梁在转辙点前方保持一定距离的直线, 用于车库内部或低速区段[6] 。根据连接线路的数量和形式, 跨座式单轨道岔又可分为单开道岔、交叉道岔和三开道岔。

2.2 　车辆系统
跨座式单轨列车采用专用的跨座式单轨电动车组, 由四节、六节或八节车辆编组[7] ; 列车两端的车辆带有司机室; 每节车辆由车体和两台转向架共同组成。跨座式单轨车辆的车体、车内设备、车门等的构造都与普通城市轻轨车辆相类似。车体采用轻合金焊接结构, 重量轻, 具有很好的耐火性能。
转向架是车辆的核心部件, 也是最能够体现跨座式单轨系统运行特点的部分。跨座式单轨车辆的转向架为二轴转向架, 车轴为单悬臂固定在转向架上, 每根轴上装有两个走行轮, 直径为1 006 mm , 是充入氮气的橡胶轮胎。转向架两侧上方各设两个导向轮, 下方各设一个稳定轮, 它们都是充入空气的橡胶轮胎, 直径为730 mm[8] 。为防止轮胎放炮, 三种车轮都装有钢制备用轮, 并设有轮胎检测装置。转向架构架是钢板焊接结构, 不设置摇枕, 车体直接支承在空气弹簧上, 既保证舒适性又能达到轻量化的目的。
3 　技术特点
　　结构的特殊性决定技术的特殊性, 跨座式单轨铁路的供电、通信、信号、环控通风、给排水、防灾报警、自动检售票等机电设备与常规轨道交通基本相同, 车辆段及综合维修基地也没有太大差别, 因而其技术上的特点主要体现在车辆的转向架、轨道梁和线路道岔三个方面。
车辆的转向架采用骑跨在轨道梁上的结构, 采用走行轮传动, 通过设在转向架两侧的水平轮胎导向和稳定车体, 这一点不同于常规铁路采用的钢轮-钢轨系统, 走行轮对同时兼有传动和导向的功能。此外, 橡胶轮胎与轨道梁接触的变形和受力机理都不同于钢制轮轨。因而转向架的技术比较独特, 需要进行深入系统的研究。
跨座式单轨铁路的轨道梁不仅是承重的桥梁结构, 同时也是支承和约束车辆行驶的轨道, 此外轨道梁还是牵引电网的载体, 因而, 它是集多种功能于一体的建筑结构, 既要有足够的强度, 又必须具有足够的精度。
线路道岔也是集导向和承重于一体的结构, 因而较高的承载能力和搬动时的轻便灵活对于道岔结构同等重要。道岔的性能直接影响线路的安全性、平稳性和运营效率, 因而, 单轨铁路的道岔技术非常重要。

4 　走行特点
　　在轨道梁上行驶的城市单轨车辆转向架上装有三种轮胎: 走行轮、导向轮和稳定轮( 如图2 所示), 它的走行机理与钢轮-钢轨系统完全不同。在列车运行过程中, 走行轮始终与轨道梁顶面接触, 轮胎的弹性主要缓冲车辆竖向振动; 导向轮和稳定轮则起到缓冲车辆横向振动的作用。如果转向架在平衡位置没有位移, 导向轮和稳定轮将以有效半径向前滚动; 当转向架发生横向位移(横移、侧滚、摇头) 时, 导向轮和稳定轮随之产生偏移, 这时单侧或双侧的水平轮胎会受到轨道梁侧面的径向压力, 这种压力将迫使转向架回到平衡位置。

图2 　单轨车辆的走行系统
　　钢制轮轨的导向是由钢轨约束轮对的横向和竖向位移, 再通过一系悬挂、二系悬挂将这种约束依次传递给转向架和车体。而单轨系统则是导向轮和稳定轮主要承受轨道梁的横向约束, 走行轮主要承受竖向约束。横向约束通过导向轮和稳定轮传递给转向架; 竖向约束由走行轮传递给转向架, 再传递给车体。跨座式单轨车辆的走行特点, 将使轨道梁承受较大的扭转荷载。

5 　性能特点
　　将跨座式单轨系统的车辆技术参数、线路技术参数以及运营组织模式等与普通高架轻轨系统进行比较(如表3 所示), 可以看出单轨铁路在性能方面具有以下特点:

(1) 单轨铁路与常规轻轨同属于中等运量的轨道交通, 工程投资和运营费用相近。
表3 　跨座式单轨铁路与高架轻轨的性能比较[ 9]

噪音较低较高其环境问题日照较小较大它城市美观较小较大
方面乘车舒适性好较好
工程施工期短较短
注:11 括号中数字为带有司机室车辆的参数。21 轻轨车辆的参数为4 轴车辆的相应数据。
(2) 跨座式单轨铁路具有如下优点:
① 能有效利用城市空间
轨道梁的梁宽很小, 支柱结构细长, 占地面积很小, 可以建在道路的中央分隔带和较狭窄街道上; 走行轮的摩擦系数较大, 列车爬坡能力强, 车辆轴距小, 能通过较小的曲线半径, 因而适应地形能力强, 可以在建筑物密集和地形起伏大、坡陡弯急的地方建造。
② 乘坐舒适
转向架采用充气的橡胶轮胎和空气弹簧, 因而车体振动很小。车厢配有冷暖空调装置和机械通风装置, 窗户宽大、视野开阔, 具有很好的舒适感。
③ 运行安全、正点
车辆运行速度快、加减速性能好, 三种轮胎都配有钢制备用轮胎, 充分保障了系统的运营安全。系统的运行采用全封闭模式, 与其它交通形式不相互干扰, 因此单轨列车运行稳定、安全、正点。
④ 对环境影响小
车辆采用橡胶轮胎, 降低了噪音; 列车采用电力牵引, 无废气产生; 而且由于是直流电源供电, 不产生电磁波, 所以对沿线的环境和居民生活影响很小。此外由于轨道梁宽度很小, 对地面的遮光很小; 同时车辆的供电装置设在轨道梁上, 没有架空接触网, 给行人的压抑感也小。
⑤ 施工简便, 工期短
标准轨道梁可以在工厂预制, 现场拼装, 从而缩短建设工期; 牵引电网接触导线刚性布置在轨道梁的侧壁, 也比架空接触网和第三轨受电方式施工简便, 工期短。
(3) 跨座式单轨铁路的缺点有:
① 道岔结构复杂
由于线路道岔结构复杂, 搬动比较费时, 因而限制了列车运行间隔不能低于215 min 。
② 能耗较大
由于走行轮胎和轨道梁之间的摩擦系数较大, 因而能源消耗较大。
6 　适用范围
　　跨座式单轨铁路是城市综合交通体系的一个有机组成部分, 可以与其它交通方式配合使用。对整个交通系统进行规划时必须考虑: 不出现交通阻塞和拥挤, 交通事故发生率低, 对环境影响小; 乘车方便, 等车和乘车时间短; 有足够的运输能力; 经济性能好, 造价和运营费用低; 乘坐舒适; 随着城市的发展, 能灵活地满足对交通运输的需要。
跨座式单轨铁路能满足上述6 个条件中的大部分, 因而, 它是利用范围很广泛的交通工具。一般地, 跨座式单轨铁路用于下述情况:
(1) 建成市区内的环状路线, 用做公务交通;
(2) 作为市中心与第二中心之间的连接线;
(3) 作为居住区与商业区、旅游景点之间的运输线;
(4) 用作大城市的通勤干线或地方城市沿城市轴线的干线;
(5) 连接卫星城和城市中心区的线路;
(6) 作为城市综合交通系统的有机组成部分, 与机场、火车站或其它城市对外枢纽站相连接。
7 　应用前景
7.1 　跨座式单轨铁路是改善中国城市交通状况的有效途径之一
我国城市的现有的交通系统存在诸多问题, 比较突出的有三个方面: 高峰时段堵塞和拥挤严重; 交通结构单一; 对环境的影响较大[ 11 ] 。
导致交通不畅的根本原因在于现有的城市交通结构过于单一, 大、中运量的轨道交通在城市交通中的比重太小。市区的旅客运输主要由公共汽车、无轨电车等常规公交工具和自行车承担。迄今为止, 全国只有北京、上海和广州三个城市有地铁和轻轨运营线, 而且运营里程都不长( 分别为北京94.7 km ; 上海95.2 km ; 广州27.3 km) , 依然不能满足日益增长的交通需求。
要从根本上解决我国城市交通存在的问题, 就必须调整现有的交通结构, 建立综合交通系统。规划和建设综合交通系统的首要任务是合理规划和发展各种轨道交通。作为中等运量的轨道交通, 跨座式单轨铁路是符合我国城市需求的交通形式。
跨座式单轨铁路具有比地铁成本低、工期短, 比轻轨高架线占地少、污染小、能有效利用道路中央隔离带, 适于建筑物密度大的狭窄街区的优点, 此外, 单轨交通的车辆和轨道容易检查和维修养护, 轨道使用寿命长。相对于上述优点而言, 单轨的缺点影响不是很大, 不足以妨碍其使用。因而, 它不失为大城市客流中等的交通线路和中等城市主要交通线路的较好选择。特别是在地形条件复杂, 利用其他交通工具比较困难的情况下, 更能体现其优越性。可以认为, 建设和发展单轨铁路是改善我国城市交通状况的一个有效途径。
7.2 　中国修建跨座式单轨系统的技术可行性
日本、美国及澳大利亚等国家都具有建造跨座式单轨铁路的成功经验, 这项技术本身是成熟的。目前我国的重庆市正在修建较新线(较场口～ 新山村) 跨座式单轨系统, 技术从日本引进, 这是我国修建的第一条单轨铁路。经过广泛的调查和严密的技术论证, 得出以下结论: 在跨座式单轨铁路的三大关键技术中, 线路道岔和轨道梁通过引进国外技术, 可以全部在国内组织生产; 车辆的转向架初期采取进口, 可以分期分批逐步实现国产化, 最终车辆的国产化率可以达到60 %～70 % ; 供电、通信、信号、环控通风、给排水、防灾报警、自动售检票.

参考文献